FPGA与USB技术在纺织品数字印刷机系统中的应用

摘   要： 介绍了纺织品数字印刷机的设计概况以及USB控制器CY7C68013A的特性，阐述了通过Verilog HDL语言设计FPGA对 USB 控制器的访问控制操作、USB控制器固件程序设计、USB驱动程序设计及PC端的应用程序设计。测试结果表明， FPGA通过USB接口实现了高速可靠的数据传输。
关键词： FPGA； USB2.0； CY7C68013A； 纺织品数字印刷机
       工业化纺织品数字印刷机系统分为印刷机和上位主控PC机两部分, 纺织品印刷机不是一套独立的系统，是接收上位主控PC机的指令和图像数据, 依据指令和图像数据完成印刷动作并将自身工作状态反馈给上位主控PC 机的设备。接口部分是实现印刷机中的前端控制器与上位主控PC 机之间通信的桥梁。
　 纺织品数字喷墨印刷机在实时工业现场，要求达到较高的传输速度，传统的数字喷墨式印刷机与主机的通信主要通过主机主板提供的串行接口、并行接口或通过接口卡来实现，因其传输速度较低已不能满足工业生产过程高速化的需求。USB技术很好地解决了上述问题，虽然最近发布的USB3.0协议理论上可达到5 Gb/s的极限传输速度,但因目前集成USB3.0的微处理器仍处在实验测试阶段,有待全面优化后发布市场。因此支持USB2.0协议的微处理芯片依然是工业高速印染设备中所选择的主要通信微处理器。
　 FPGA是一种现场可编程门阵列电子集成器件，由于其集成度高，用中小规模集成电路实现的几大块印刷电路板缩小至一两片超大规模集成电路，不仅使控制系统的体积大为缩小，而且系统的可靠性得到大大提高。 FPGA的可编程性还可以使纺织品数字印刷机控制系统的设计、调试、生产和维护更加灵活方便。随着大规模可编程逻辑器件 FPGA的飞速发展，FPGA器件可以在这样的运动控制系统中发挥优越的性能和较大的作用。它作为纺织品数字印刷机控制系统的辅助电路，可代替许多传统的逻辑电路 ,简化系统设计，并且可提高系统的可靠性，减小电路板体积，使产品小型化，同时也有利于保护知识产权[1]。如何优化USB2.0设备的传输性能，突破速度瓶颈，最大限度地提高传输速度，是印刷机设计中急需解决的问题。 本文设计了基于USB2.0的高速工业化纺织品数字喷墨印刷机数据传输系统，进而研究FPGA在印刷机系统中的设计优化以及实现USB2.0接口数据传输速度的全面提升的方法。
1 系统设计
　 针对纺织品印刷机系统的特点，本系统可实现由一台PC机控制运行，采用IJA模式喷绘机喷头，每喷头510孔，180 dpi。为了提高喷绘速度，采用分组喷头，每组6色或者8色，共3~6组可选。支持打印1~4灰度等级的图像。系统的主控制器由数据传输板与运动控制板组成，主要由S3C2440为处理器的ARM核心板构成，400 MHz的工作主频，64 MB的SDRAM，16 MB的Flash，支持LCD接口，支持IIC接口，支持16 bit的外部总线寻址，支持DMA。主控制器接收来自PC的控制命令和图像数据，检测并控制系统中的各个运动环节，同步运动与喷头的喷射，并将喷头需要的图像数据传输到喷头板上。
　 主控制器在联机工作时要能与PC双向通信，接收PC发来的图像数据和各种配置信息以及控制命令，同时要将系统的状态传送给PC，可考虑采用USB2.0的接口协议。由于S3C2440不支持USB2.0协议，系统扩展CY7C68013A的USB扩展接口芯片,为缓冲该芯片与ARM总线，系统扩展了一片FPGA。由FPGA负责USB的接口缓冲、运动控制、位置、速度检测、二级墨盒液位检测、二级墨盒液泵控制、喷头板的图像数据格式转换和传输、按喷头位置及颜色顺序点火喷头的控制。
     本文主要讨论PC主机与印刷机主控制板的数据通信。鉴于系统的需求，本通信模块采用支持USB2.0高速数据传输的EZ-USB FX2LP单片机CY7C68013A作为接口芯片。采用FPGA EP1C6Q-240做为USB接口芯片的外部逻辑，完成FPGA与USB接口芯片之间的通信。当上位机发出控制信号，经接口芯片CY7C68013A解析后与FPGA进行通信。系统主控制器检测到上位机发出的启动数据传输、选择数据格式等命令时，启动数据传输，经由SIE解析的数据包通过USB接口芯片CY7C68013A以同步从属FIFO的模式将数据经由CY7C68013A内部乒乓控制的FIFO缓存后快速存入FPGA内部的FIFO中,然后由主控制器ARM控制FPGA将主机通过USB传递的数据由喷头控制器读取数据，再分配给6色喷头。系统结构框图如图1所示。
   
   2 硬件设计
2.1 USB接口部分
     纺织品数字印刷机的喷印以行为单位，每行喷印过程中必须以恒定的速度喷印。在每行的行端，喷头小车要进行加减速和换向，要卷动卷布辊进布，以便进行下一行的喷印。恒定速度的喷印必须有恒定的图像数据传输率来保证。喷印速度要求越高，对图像数据的传输速度要求也越高。在本通信系统中,选用CY7C68013A芯片，其采用的构架是EZ-USB FX2LP，是在 FX2 的基础上改进而成的一款 USB2.0 芯片，它集成了增强型的8051内核，并采用了低功耗设计，代表了业界的领先水平，是新一代符合USB2.0高速控制器的构架，完全兼容FX2[2]。